高强合金的拉伸塑性通常远低于单质金属。特别是体心立方(BCC)结构的高熵（又称多主元）合金，其均匀变形能力普遍严重不足。针对这一难题，西安交通大学材料创新设计中心马恩教授与北京理工大学材料学院薛云飞教授等合作，提出基于化学局域有序（LCO，大小在1纳米尺度）与晶格畸变场的动态演化与交互作用以调控平面滑移带的学术思想，将平面滑移（planar slip）诱导变形局域化这一削弱拉伸塑性的机制转变为“多级”平面滑移促进应变均匀化的塑性提升机制。

团队以Ti-Zr-V-Nb-Al体系BCC高熵合金为研究模型，辅以适当的热处理工艺，引入大量富Zr-Al键的B2型LCO（图1）。变形时，“滑移面软化”（glide plane softening）产生平面滑移带。应变较大后，平面滑移带内的LCO被破坏，原子尺寸明显大于合金平均值的Zr与小于平均值的Al被显著分开后，各自带来较大的晶格畸变，其产生的阻力与积累的位错碎片联合阻碍后续位错的运动（图2），在变形后期造成滑移带的动态加工硬化。

图1.低温时效(aged)引入大量B2型LCO

图2.（a-b）平面滑移带内外的原子像（黄色圈内为LCO）以及晶格应变分布；（c）晶格应变统计图；（d）平面滑移带内的位错碎片、位错环大量累计；（e）滑移带内位错滑移速度变化趋势

这种滑移带“先软化、后硬化”的作用机制使得先形成的“初级”平面滑移带附近萌生大量“次级”滑移带，并逐渐扩展到“初级”滑移带间的未变形区域内，这不仅大幅提升合金应变分布的均匀性，同时“次级”滑移带间的相遇、交叉以及“初级”滑移带对“次级”滑移带的阻碍也帮助提升了合金拉伸均匀变形所必需的加工硬化能力（图3a-b）。

基于以上新思路，团队在具有千兆帕（GPa）级屈服强度的BCC高熵合金中实现了可与单质金属相媲美的高拉伸塑性（图3c-d）：均匀延伸率提升至~25%、断裂延伸率高达~47%。这为开发高性能合金提供了新的设计途径，同时为进一步认识高熵合金的化学局域有序结构及其对性能的影响提供了指导。

图3.（a-b）不同变形量下aged-T50的微观组织STEM图像；（a）展现出大量“次级”平面滑移带（绿色）在“初级”滑移带（红色）附近萌生扩展；（b）“次级”滑移带相遇引入大量位错缠结（红箭头）和位错堆积（蓝箭头）；（c）两种合金的真应力-真应变曲线和加工硬化率曲线；（d）两种合金和其他常见BCC高熵合金、BCC传统合金的力学性能对比图

日前，上述研究成果以"调控bcc多主元合金中的平面滑移实现类纯金属塑性”（Tailoring planar slip to achieve pure-metal like ductility in body-centred-cubic multi-principal element alloys) 为题在线发表于期刊《Nature Materials》。北京理工大学王亮博士后和西安交通大学丁俊教授为论文共同第一作者，北京理工大学薛云飞教授和西安交通大学马恩教授为论文共同通讯作者。其他合作者包括香港城市大学任洋教授、河北工业大学郑士建教授、南京理工大学沙刚教授、南方科技大学逯文君副教授、美国阿贡国家实验室Tianyi Li博士等师生。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01517-0